Энергоэффективность химической промышленности: современные решения

Тераваттный вызов

Современный мир стремится к достижению целей концепции устойчивого развития, предопределяющей будущее всего человечества. Однако научно-технологические революции XX века поставили перед человечеством целый ряд глобальных вызовов, сформулированных Нобелевским лауреатом Ричардом Смолли на конференции в Университете Райса, посвященной проблемам энергетики и нанотехнологий [«Top Ten Problems of Humanity for Next 50 Years», Professor R. E. Smalley, Energy & NanoTechnology Conference, Rice University, May 3, 2003]. Очевидно, что первым и главным вызовом для человечества стала энергия. Энергетический кризис не только связан с уже ставшими классическими проблемами исчерпания полезных ископаемых при наращивании потребления.

Активный рост населения и индустриализация наименее развитых стран вызывает проблему «тераваттного вызова».

Она заключается в том, что в начале XXI века человечество потребляло около 14,5 тераватт энергии в сутки, которые обеспечивались в основном за счет сжигания углеводородов. По прогнозам, к середине века дневное потребление вырастет в два раза, в то время как добыча нефти, вероятно, будет снижаться из-за сокращения ее запасов.

Конечно же, с момента смерти Р. Смолли прошло уже 20 лет, а ситуация на энергетическом рынке стала несколько корректироваться, смещаясь в сторону использования источников зеленой энергии в Евросоюзе и ядерной энергетики в Российской Федерации. Однако зеленая энергетика позволяет лишь частично решить проблемы бытового потребления электроэнергии. В отношении России с высокой долей вероятности можно говорить о том, что активное внедрение прорывных технологий генерации энергии и утилизации отходов ГК «Росатом» позволит в будущем достигнуть определенных успехов, однако, к сожалению, это не решает всех проблем современной индустрии.

«Зеленая» химия

Химическая и нефтехимическая промышленность является бесспорным лидером в потреблении энергии. Активное использование процессов охлаждения, нагревания, испарения, кристаллизации, а также вакуумной и компрессорной техники требует колоссальных мощностей генерации энергии. Не случайно, например, в СССР одним из главных химических центров страны являлся город Усолье-Сибирское ввиду доступа к дешевой энергии гидроэлектростанций. Однако главной проблемой является тот факт, что огромное количество процессов требует энергии, полученной из ископаемых источников топлива. В первую очередь это связано с необходимостью тонкого контроля температурных режимов процесса — прекратить или уменьшить подачу газа в горелке гораздо проще, чем, например, снизить мощность на ТЭНе. Более того, тепловая инерционность электрических систем нагрева не позволяет снизить температуру реактора или колонны «здесь и сейчас», что может привести к катастрофическим последствиям. Именно поэтому индустриальная химия остается во многом консервативной отраслью. 

Данная проблема привела в итоге к формированию концепции «зеленой» химии, подразумевающей, в первую очередь, значительное снижение энергетических затрат для проведения процесса. 

Существует распространенное мнение о том, что химию делает «зеленой» лишь использование низкотоксичных химикатов. Однако, это не совсем так — использование более токсичного реагента при условии его безопасного участия в процессе является, возможно, более предпочтительным, чем использование более безопасного реагента, генерирующего большее количество отходов, требующих утилизации.

Все эти соображения заставляют искать новые методы и способы активации нужных превращений, подразумевающих максимально мягкие условия процесса. 

Каковы же последние тенденции в развитии данных методов? Мы остановимся лишь на части из них, так как практически невозможно оценить в рамках текста все аспекты современной химии и химической технологии.

Технологии сепарации и разделения

Не секрет, что наиболее энергетически затратными являются процессы фазовых переходов вещества: например, разгонка нефтей или природного газа, процессы кристаллизации, испарения и т. д. Тем не менее, данные подходы являются основой очистки химических веществ, и без них не мыслимы ни современная микроэлектроника, ни топливная промышленность. 

В современной науке все большее внимание уделяется вопросам мембранного или сорбционного разделения, когда при использовании селективных сорбентов или мембран удается в мягких условиях отделить компоненты химических смесей без фазовых переходов. Во многом появление данных технологий связано с развитием химии металл-органических координационных полимеров (МОКП или metal-organic frameworks, MOFs) и ковалентных органических каркасов (КОК или covalent organic frameworks, COFs). Формально данные вещества являются «фильтрами» с заданными размерами и химическими свойствами пор, способными захватывать определенные вещества и пропускать другие.

Каталитические технологии

В общем и целом каталитические технологии всегда были основой «зеленой» химии. Каталитические реакции известны с момента появления химии как таковой, однако, на данный момент, наука о катализе переживает бурный расцвет. Современные исследования структуры вещества и промежуточных соединений вкупе с методами искусственного интеллекта позволяют предсказывать механизмы процесса и подбирать структуру катализатора под заданную реакцию. Однако среди современных каталитических технологий появились примеры и самоорганизующихся катализаторов, способных подстраиваться под процесс. Очевидно, что данный подход будет взят на вооружение и химической технологией, что позволит существенно снизить потребление энергии, необходимое для получения широкого ряда каталитических систем.

Новые методы активации химических реакций

Пирокатализ/пьезокатализ

В поиске новых принципов активации химических реакций ученые апробировали известные пьезоматериалы как каталитические системы для реализации процессов разрушения отходов и загрязняющих веществ. Пьезокаталитические и пирокаталитические материалы работают по похожим принципам, разница заключается лишь в типе поглощаемой энергии — так, пьезокатализ подразумевает конвертацию механической энергии в химическую энергию, а пирокатализ — энергию тепловых колебаний.

Суть процесса заключается в генерации разделенных зарядов, активирующих химическую реакцию, протекающую уже согласно общепринятым механизмам процесса.

Оба подхода являются закономерным продолжением энергосберегающих химических технологий, не требующих использования энергии. Даже пирокатализ, для которого формально требуется девиация температуры, вполне может быть использован для каталитической деградации отходов с использованием тепла, циклично выделяемого при работе силовых установок. Стоит отметить также, что пьезокаталитические материалы используются даже для генерации водорода, пусть и пока в лабораторных условиях.

Электрокатализ

Использование энергии электрического тока для активации различного рода превращений является классикой еще с XIX века. Процессы электролиза используются и по сей день в ключевых отраслях химической промышленности. Однако до последнего времени электрокаталитические процессы были достаточно редки в тонкой химической технологии (например, при синтезе продуктов малотоннажной химии). Лишь в последнее время использование энергии электричества для синтеза полезных продуктов получило широкое распространение и стало одним из основных трендов химической науки. 

С точки зрения энергоэффективности электрокаталитические технологии позволяют избавиться от промежуточных стадий генерации теплоносителей и использовать даже «зеленую» энергию. Однако данные процессы требуют добавок значительных количеств электролитов, что несколько снижает их потенциал с точки зрения «зеленой» химии.

Фоторедокс-катализ

В общем смысле использование света как стимула для активации химической реакции представляет собой распространенное и в живой природе явление: от фотосинтеза и биолюминесценции до процесса зрения. Синтетическая химия также давно имеет дело со светом: классические реакции введения галогена протекали под действием ультрафиолетового облучения. Тем не менее, классические технологии фотохимии подразумевают использование высокоэнергетического излучения в УФ-диапазоне, что требует мощных источников света и охлаждения. Революция в области фотокатализа свершилась благодаря открытию фоторедокс-процессов.

В данном случае в реакционную массу добавляется специальное вещество — фотокатализатор, поглощающее излучение уже в видимом диапазоне с существенно меньшей энергией.

Фотокатализатор в возбужденном состоянии уже запускает классические каскады превращений, характерные для органических реакций. Стоит сказать, что для возбуждения фотокатализатора зачастую хватает маломощных LED-источников света, что неизбежно положительным образом сказывается на энергосбережении и позволяет использовать «зеленое» электричество. 

Фотокатализ с использованием полупроводниковых (нано)материалов

Развитие химии материалов привело к созданию целой серии новых каталитических систем на основе полупроводников с довольно малой шириной запрещенной зоны. За счет взаимодействия со светом данные материалы выступают в качестве аналогов низкомолекулярных фоторедокс-катализаторов.

Однако, в отличие от малых молекул, гетерогенные полупроводниковые катализаторы гораздо проще отделить от реакционной массы и использовать повторно.

Вместе с тем данные каталитические системы в основном применяются для наиболее распространенных процессов химической технологии или в целях энергетики. Зачастую полупроводниковые системы используются и в фотоэлектрокатализе, совмещающем действие света и электрического тока.

Собственно, активное внедрение фотокаталитических процессов на полупроводниках рассматривается как будущее для химической технологии ввиду крайне низкого потребления энергии.

Плазмонный катализ

Уже в XXI веке появилось новое направление в активации химических реакций на поверхностях наноматериалов. Ученые обнаружили, что возбуждение так называемого плазмона под действием света приводит к активации химических реакций (формально данный процесс можно представить как волны в электронном море внутри наноматериала). В отличие от классических процессов фотохимии, где требуется облучение видимым светом, плазмон способен возбуждаться уже в области инфракрасного излучения.

Таким образом, химическая реакция уже запускается фотонами с крайне низкой энергией, что является важным для дальнейшего внедрения в энергоэффективные процессы.

Формально плазмонный катализ можно считать идеальным катализатором, но в реальности исследования данных процессов находятся еще на начальном уровне. Так, еще не в полной мере понятен механизм процесса, а подавляющее количество исследований реализовано с использованием наночастиц золота, которые далеки от реальных применений. Однако в будущем возможно создание и новых плазмон-активных материалов, включая и пористые структуры.

Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что современная химия не избежала глобального тренда на внедрение энергоэффективных процессов. Возможно, когда-то химические заводы лишатся труб, а вместо потребления дефицитного ископаемого топлива будет активно использоваться «зеленая» энергия.

^{Обложка: downloaded from Freepik.}

The post Энергоэффективность химической промышленности: современные решения appeared first on Хайтек.